STM32單片機(jī)下智能風(fēng)扇控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)探析

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摘要：本文所設(shè)計(jì)的智能風(fēng)扇控制系統(tǒng)以stm32F103ZET6芯片為核心，集溫濕度檢測、人體感應(yīng)、語音識別、空氣加濕、手機(jī)交互等功能為一體。本系統(tǒng)具有手動控制以及智能控制兩種工作模式，智能控制模式下，通過溫度測量模塊的數(shù)據(jù)采集，對風(fēng)速與人體舒適度的關(guān)系進(jìn)行建模，最終獲得匹配的最佳風(fēng)扇轉(zhuǎn)速數(shù)；在人工控制模式中，通過LCD觸摸屏、手機(jī)APP以及語音來控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)可得，該系統(tǒng)有較強(qiáng)的穩(wěn)定性和自適應(yīng)性，相對其他產(chǎn)品優(yōu)勢明顯。

關(guān)鍵詞：智能風(fēng)扇控制系統(tǒng)；STM32；PWM控制

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的智能風(fēng)扇控制系統(tǒng)主要由七大模塊構(gòu)成，分別是溫濕度檢測模塊、人體感應(yīng)模塊、語音識別模塊、風(fēng)扇驅(qū)動模塊、空氣加濕模塊、LCD觸摸屏以及藍(lán)牙模塊。具體實(shí)現(xiàn)的功能有：（1）在LCD液晶屏上實(shí)時(shí)顯示溫濕度、風(fēng)扇工作模式、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速、加濕功能是否開啟等相關(guān)信息；在藍(lán)牙連接的情況下會將這些信息發(fā)送給手機(jī)，在手機(jī)APP上實(shí)時(shí)更新顯示。（2）可通過語音、手機(jī)和LCD觸摸屏設(shè)置風(fēng)扇的模式和各部件的運(yùn)作。（3）在手動模式下，風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速根據(jù)用戶輸入的風(fēng)力等級指令來變化，一共有3級風(fēng)力等級可以設(shè)置。（4）在智能模式下，用戶可以自行建立風(fēng)扇轉(zhuǎn)速與溫度的函數(shù)關(guān)系，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速將依照該函數(shù)隨溫度的變化而變化。（5）風(fēng)扇配備人體感應(yīng)模塊，可實(shí)現(xiàn)人來風(fēng)來、人走風(fēng)停的功能。

2硬件模塊設(shè)計(jì)

2.1主控芯片

本次選用的主控芯片是以Cortex-M3為內(nèi)核的STM32F103ZET6單片機(jī)，該芯片不僅最高工作頻率可達(dá)72MHz，而且還具有64KBSRAM、512KBFLASH、8個(gè)定時(shí)器、5個(gè)串口、1個(gè)FSMC接口以及112個(gè)通用IO口等，資源相當(dāng)豐富，從性能與功耗兩方面綜合考慮，該控制芯片是一個(gè)極佳的選擇。

2.2溫濕度測量模塊

DS18B20是一款高精度的數(shù)字溫度傳感器，它具有體積小、適用電壓寬、硬件開銷低、抗干擾能力強(qiáng)、接口簡單等優(yōu)點(diǎn)。DHT11是一款濕溫度一體化的低功耗數(shù)字傳感器，該傳感器包括一個(gè)電阻式測濕元件和一個(gè)NTC測溫元件，與單片機(jī)進(jìn)行簡單連接后，就能夠?qū)崟r(shí)地采集本地濕度和溫度。DS18B20和DHT11均具有“單總線”接口，僅需要一個(gè)I/O口便可以實(shí)現(xiàn)和STM32的通信，雙方之間的通信協(xié)議采用單總線協(xié)議。由于DHT11的溫度測量精度較低，故使用時(shí)只取其測量的濕度值，溫度值通過DS18B20獲得。

2.3人體感應(yīng)模塊

本次設(shè)計(jì)采用HC-SR505人體感應(yīng)模塊檢測人體，HC-SR505是基于紅外線技術(shù)的自動控制產(chǎn)品，它具有靈敏度高、可靠性強(qiáng)、體積小，工作電壓低的優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)時(shí)，將HC-SR05配置成可重復(fù)觸發(fā)方式：感應(yīng)到人體輸出高電平后，在延時(shí)時(shí)間段內(nèi)，如果有人體在其感應(yīng)范圍活動，其輸出將一直保持高電平，直到人離開后才延時(shí)將高電平變?yōu)榈碗娖健?/p>

2.4藍(lán)牙模塊

本次設(shè)計(jì)采用HC-05藍(lán)牙模塊與手機(jī)端進(jìn)行交互，HC-05藍(lán)牙模塊可連接到微控制器的串行端口，并允許微控制器通過藍(lán)牙連接其他設(shè)備通信，其成本低、傳輸數(shù)據(jù)穩(wěn)定、使用簡單便捷，在使用時(shí)，需將其RX和TX端與STM32的RX和TX端交替連接，配置并統(tǒng)一好通信格式后便可以很輕松地與手機(jī)進(jìn)行交互，使用者可通過手機(jī)控制風(fēng)扇的運(yùn)作。

2.5語音識別模塊

LD3320是基于非特定人體語音識別技術(shù)的語音識別芯片，LD3320芯片上集成了高精度的A/D和D/A接口，不再需要外接輔助的Flash和RAM，即可以實(shí)現(xiàn)語音識別以及人機(jī)對話功能，并且識別的關(guān)鍵詞語列表是可以動態(tài)編輯的。該模塊支持SPI與串口兩種通信接口，本次設(shè)計(jì)中采用SPI接口與STM32進(jìn)行通信。

3軟件設(shè)計(jì)

3.1主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的主程序設(shè)計(jì)流程如圖1所示，在主程序中先初始化系統(tǒng)和各個(gè)模塊；然后，在主循環(huán)中進(jìn)行溫度檢測；語音、藍(lán)牙、LCD觸摸屏的輸入檢測與處理，用戶可以通過語音、藍(lán)牙和LCD觸摸屏來設(shè)置風(fēng)扇的運(yùn)行模式以及是否加濕空氣等其他功能；接下來，LCD屏更新溫濕度、風(fēng)扇工作模式等相關(guān)信息；隨后，判斷當(dāng)前系統(tǒng)的工作模式，如果是在智能模式下，則計(jì)算出風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，其中，v是風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，T是環(huán)境溫度，k和b是風(fēng)力調(diào)節(jié)參數(shù)，用戶可以通過語音、手機(jī)APP等方式，結(jié)合自身喜好修改該參數(shù)；如果是在手動模式下，系統(tǒng)則根據(jù)用戶輸入的風(fēng)力等級指令輸出標(biāo)定好的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速；最后，系統(tǒng)會采用PID算法控制輸出PWM波的占空比，以使風(fēng)扇達(dá)到期望的轉(zhuǎn)速。人體感應(yīng)信號作為外部中斷的觸發(fā)信號，外部中斷選擇雙邊沿觸發(fā)方式，進(jìn)入中斷后再讀取感應(yīng)信號的電平，判斷是人靠近還是人離開，實(shí)現(xiàn)人來風(fēng)來、人走風(fēng)停的功能。

3.2PWM電機(jī)控制程序設(shè)計(jì)

STM32F103ZET6一共有8個(gè)定時(shí)器，其中6個(gè)定時(shí)器有4路輸出比較通道，即可以同時(shí)輸出4路PWM波，本次設(shè)計(jì)采用TIM3的CH1輸出PWM波控制風(fēng)扇電機(jī)的工作，其主要步驟如下：開啟TIM3時(shí)鐘，配置對應(yīng)引腳為復(fù)用輸出；初始化TIM3，設(shè)置TIM3的ARR和PSC；設(shè)置TIM3_CH1的PWM模式，使能TIM3的CH1輸出；使能TIM3，修改TIM3_CCR1來控制占空比。TIM_CCR1的裝載值是通過PID算法計(jì)算得出的，風(fēng)扇電機(jī)帶有檢測其轉(zhuǎn)速的編碼器，將TIM4配置為編碼器模式，讀取單位時(shí)間內(nèi)風(fēng)扇編碼器上的脈沖數(shù)，以此計(jì)算出風(fēng)扇的實(shí)際轉(zhuǎn)速，整定好PID各參數(shù)后，根據(jù)理想轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速采用位置式PID計(jì)算出TIM_CCR1的裝載值，以此輸出需要的PWM波，使風(fēng)扇快速達(dá)到穩(wěn)定、精準(zhǔn)的轉(zhuǎn)速。

4結(jié)語

本次設(shè)計(jì)以STM32F103ZET6為核心控制芯片，是對傳統(tǒng)風(fēng)扇的智能化升級與改造。本系統(tǒng)的兩種運(yùn)行模式，使風(fēng)扇能自如應(yīng)對生活中多樣化的需求，在智能控制下，能根據(jù)環(huán)境溫度自動調(diào)節(jié)相應(yīng)功能，而在人工模式下，則能通過液晶屏、手機(jī)APP、語音等多種手段，來自定義用戶最舒適的環(huán)境體驗(yàn)。系統(tǒng)總體較為節(jié)能、高效，應(yīng)用場景廣泛，有著良好的市場前景。

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作者:萬方高 盧俊宇 盧俊誠 盧澤林 單位:哈爾濱理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院